Ćwiczenie nr 12
KOLOIDY I ICH WA
AÅšCIWOÅšCI
OTRZYMYWANIE UKA
ADÓW KOLOIDALNYCH
I BADANIE ICH WA
AÅšCIWOÅšCI
1. PODSTAWOWE WIADOMOÅšCI O UKA
ADACH KOLOIDALNYCH
Początek nauki o chemii koloidów sięga 1861 r. Twórcą tej gałęzi wiedzy był T. Graham. Przez
stopniowe rozdrabnianie ciała stałego lub cieczy w cieczy zwiększa się stopniowo powierzchnia czynna
ciała rozpraszanego, a zmniejsza się tym samym średnica jego cząstek. Wpływa to na specyficzne
zachowanie się cząstek rozdrobnionych ciała wobec otaczającego go środowiska i na własności
powstałego układu.
Gdy średnica cząstek ciała rozproszonego w danym środowisku jest większa od 1000 ś
, wówczas
uzyskuje się z a w i e s i n ę lub s u s p e n sję (cząstki o średnicy >10-5 cm). Jeżeli stan rozproszenia ciała
stałego lub kropel cieczy w danym środowisku osiąga granicę lO-lOOO ś
(10-5  10-7 cm), wówczas
mamy do czynienia z roztworami k o l o i d a l n y m i . Dalsze rozdrobnienie substancji prowadzi do
granic rozproszenia cząsteczkowego lub jonowego i średnicy cząstek rodzaju noszą nazwę r o z t w o r ó w w ł a ś c i w y c h .
Ośrodek, w którym zawieszone są cząstki drugiego składnika nosi nazwę fazy r o z p r a s z a j ą c e j ,
zawieszony zaś składnik nosi nazwę fazy r o z p r o s z o n e j .
Badając zjawiska dyfuzji w roztworach T. Graham nazwał substancje dające się oddzielić (dializa) z
roztworu przez półprzepuszczalne błony (pęcherz) k r y s t a l o i d a m i , jak na przykład NaCl z roztworu
wodnego. Substancje zaś takie jak roztwory klejów, nie przechodzące przez pory błon
półprzepuszczalnych, nazwał koloidami.
Najnowsze badania rentgenograficzne wykazały, że wewnętrzna struktura poszczególnych cząstek
koloidalnych jest tak samo uporządkowana jak w kryształach odnośnych substancji w stanie stałym. Stąd
wynika, że podział na krystaloidy i koloidy nie ma uzasadnienia, gdyż koloidalną postać można nadać
również substancjom występującym normalnie w stanie krystalicznym.
Różne typy układów rozproszonych ilustruje tabeli 1. Roztwory koloidalne noszą nazwę zoli. W
zależności od rodzaju środowiska rozróżniamy h y d r o z o l e , gdy środowiskiem rozpraszającym jest
woda; e t e r o z o l e , gdy np. środowiskiem rozpraszający jest eter; i aerozole, gdy środowiskiem jest
powietrze.
Tabela 1
Różne typy układów rozproszonych
Środowisko Faza rozproszona Przykłady
rozpraszajÄ…ce
G (gazowa) C (ciekła)
G (gazowe)  mgła dym, pył drobny w
gazie
C (ciekle) piana emulsje i emulsoidy Suspensje i suspensoidy
(woda+benzol, wo- (zawiesiny czÄ…stek
da+ białko, kolodium) ilastych w wodzie,
hydrozol złota, alkozol
siarki)
S (stałe) twarde piany suspensje, minerały z szereg minerałów i
(pumeks, szkło wrostkami w postaci sztuczne układy:
kropli cieczy naturalne i syntentyczne
pęcherzykowate,
rubiny, szafiry, opale
żużle pieniste)
1
Gdy w roztworze koloidalnym zolowym tworzą się stopniowo coraz większe skupienia cząstek
koloidalnych, zwiększających swe wymiary, wówczas w pewnym momencie następuje ich wytrącenie w
postaci subtelnego osadu lub też w postaci galarety zawierającej dużą ilość cieczy między cząstkami
koloidu.
Postać tę nazywamy ge1em (lub ż e l e m). Z punktu widzenia trwałości zoli dzielimy je na
odwracalne i nieodwracalne. Zol odwracalny, np. klej kostny, po wysuszeniu i namoczeniu wodÄ… zamienia
się ponownie w roztwór koloidalny. Zole nieodwracalne, np. zole metali, siarczków i soli
nierozpuszczalnych nieorganicznych, po wytrÄ…ceniu siÄ™ z roztworu koloidalnego nie dajÄ… siÄ™ z powrotem
przeprowadzić w stan pierwotny.
Przeprowadzenie zolu ze stanu wysuszonego do roztworu koloidalnego jest połączone zazwyczaj ze
stanem tak zwanej p e p t y z a c j i . Klej stolarski na przykład składa się z bardzo dużych i długich cząstek
białek mających grupy  COOH i  NH2. Posiadają one charakter h y d r o f i l o w y. W stanie stałym są
one poplątane i przenikają się nawzajem nadając twardość kawałkom kleju. Po włożeniu do wody
następuje peptyzacja. Zachodzi adsorpcja wody przez liczne grupy hydrofilowe w kleju. Woda wciska się
w niewidoczne miejsca, w których cząstki kleju słabiej do siebie przylegają, dzieląc go na coraz mniejsze,
silnie uwodnione skupienia. TworzÄ… one najpierw zawiesinÄ™ widocznÄ… pod mikroskopem i przechodzÄ…cÄ…
następnie w stan jeszcze subtelniejszego rozdrobnienia, a mianowicie w stan rozdrobnienia koloidalnego.
Roztwory koloidalne można otrzymać dwoma podstawowymi metodami:
a) metodą rozpraszania skupień większych rozmiarów (katodowe rozpylanie metali w łuku Volty
między elektrodami zanurzonymi w cieczy, peptyzacja  np. w przypadku kleju, mechaniczne
rozmieszanie  np. zawiesiny iłu w wodzie),
b) metodę kondensacji, czyli skupienia cząstek mniejszych wymiarów w zespoły większe o
wymiarach czÄ…stek koloidalnych, osiÄ…ga siÄ™ to zwykle metodami chemicznymi, wytwarzajÄ…c zwiÄ…zki
trudno rozpuszczalne (np. działając kwasem na roztwór szkła wodnego uzyskuje się roztwór koloidalny
kwasu krzemowego, który przechodzi w galaretowaty gel).
Z podstawowych własności fizycznych roztworów koloidalnych należy wymienić:
a) zjawisko Tyndalla występujące w postaci jasnej smugi świetlnej, gdy do roztworu koloidalnego
wpuścimy z boku pęk promieni; na tym zjawisku oparte jest działanie ultramikroskopu,
b) ruchy Browna obserwowane pod ultramikroskopem w roztworze koloidalnym jako rój punktów
świetlnych, poruszających się chaotycznie w różnych kierunkach, każda cząstka koloidu zawieszonego np.
w wodzie podlega uderzeniom cząsteczek dipolowych wody; ruchy Browna zyskują na intensywności w
miarÄ™ wzrostu temperatury.
Obserwując zachowanie się roztworów koloidalnych w polu elektrycznym stwierdzić można ich
stopniowe przesuwanie się w kierunku jednej lub drugiej elektrody. Świadczy to o tym, że cząstki w
roztworze koloidalnym posiadajÄ… Å‚adunki elektryczne bÄ…dz
dodatnie, bÄ…dz
ujemne. Przenoszenie czÄ…stek
koloidalnych pod wpływem prądu elektrycznego nosi nazwę k a t a f o r e z y , ściślej mówiąc
e l e k t r o f o r e z y . A
adunki ujemne posiadają koloidalne cząstki metali, siarki, siarczków, iłów, żywic,
gum i tłuszczów. A
adunki dodatnie posiadają cząstki koloidalne tlenków i wodorotlenków, np. Fe(OH)3,
Cu(OH)2. Istnieją wreszcie koloidy o zmiennym znaku elektrycznym w zależności od chemicznego składu
środowiska i jego kwasowości oraz koloidy, których cząstki są zupełnie pozbawione ładunku
elektrycznego.
A
adunki elektryczne zawdzięczają cząstki koloidalne adsorpcji jednego rodzaju jonów zawartych w
roztworze. Dzięki temu powstaje na powierzchni cząstki koloidalnej przewaga ładunku elektrycznego
dodatniego lub ujemnego. Powoduje to wzajemne odpychanie czÄ…stek koloidu i stabilizuje tym samym
jego trwałość.
Cząstka koloidu ciała stałego (zawiesiny) znajdującego się w wodzie, na którym osiadły jony o
określonym znaku, wytwarza dookoła siebie pole elektryczne. Cząstki koloidalne otoczone cząsteczkami
wody oraz jonami o znaku przeciwnym, znajdujÄ…cymi siÄ™ w roztworze, przybierajÄ… odpowiedniÄ…
orientację (tworzący się układ przypomina kondensator). Wpływa na to powiązanie jonów adsorbowanych
w powłoce wewnętrznej z cząstkami koloidalnymi. W powłoce zewnętrznej natomiast gromadzą się
luz
niej związane jony o znaku przeciwnym i zorientowane cząsteczki wody. Tworzący się w ten sposób
układ jednostki strukturalnej roztworu koloidalnego nosi nazwę m i c e l i, a ciecz otaczająca nazywa się
2
cieczą międzymicelarną. Część graniczna (peryferyjna) miceli nie jest ostro odgraniczona od otaczającej
cieczy i mogą do niej, jak również z niej, do cieczy międzymicelarnej dyfundować jony oraz cząsteczki
wody. Stąd też warstwa ta nosi nazwę warstwy dyfuzyjnej miceli.
Budowa micelarna układów koloidalnych występuje w różnych procesach związanych z produkcją i
stosowaniem materiałów budowlanych zarówno nieorganicznego, jak i organicznego pochodzenia.
Szczególne znaczenie posiada budowa micelarna lepiszcz bitumicznych asfaltowych i smołowych oraz
szeregu żywic syntetycznych w końcowych stanach ich polikondensacji lub polimeryzacji. Również duże
znaczenie posiadajÄ… stany koloidalne dla spoiw mineralnych w ich procesach wiÄ…zania i twardnienia oraz
w procesach działania klejów i kitów organicznych i nieorganicznych. Niezmiernie ważne jest wzajemne
oddziaływanie fazy rozproszonej w roztworach koloidalnych. Roztwory koloidalne wykazujące tendencję
do wiązania cząstek fazy rozpraszającej (ośrodka) z cząstkami fazy rozproszonej (miceli) noszą nazwę
l i o f i l o w y c h . W przypadku, gdy mamy do czynienia z roztworami koloidalnymi wodnymi, roztwory
takie noszÄ… nazwÄ™ hydr of i l owych.
Roztwory koloidalne nie ujawniajÄ…ce tendencji do wiÄ…zania czÄ…stek fazy rozpraszajÄ…cej z czÄ…stkami
fazy rozproszonej noszą nazwę roztworów
l i o f o b o w y c h , zaś w przypadku roztworów wodnych noszą
nazwę roztworów koloidalnych h y d r o f o b o wych.
W 1807 roku profesor uniwersytetu moskiewskiego F. F. Reiss
przeprowadził następujące doświadczenie. Zagłębił on w bloku
utworzonym z wilgotnej gliny dwa cylindry szklane i do tak utworzonych
naczyń wsypał dobrze przemyty piasek, a następnie wlał wodę i opuścił
elektrody oraz włączył prąd (rys. 1.). Stwierdził on, że w cylindrze z
elektrodą dodatnią zaczęły poprzez warstwę piasku przechodzić cząstki
gliny i woda mętniała od dołu ku górze, a jej poziom obniżał się.
Natomiast w cylindrze z elektrodą ujemną poziom wody podnosił się, co
dowodzi, że cząsteczki wody pod wpływem prądu przesuwały się ku
elektrodzie przeciwnej niż cząstki gliny. Świadczy to również, że cząstki
gliny posiadają ujemny ładunek elektryczny. Dalsze badania wykazały,
że nie tylko grubsze zawiesiny jak w przypadku gliny, lecz również cząstki roztworów koloidalnych
posiadajÄ… Å‚adunki elektryczne.
Zjawisko przenoszenia cząstek roztworów koloidalnych za pomocą prądu elektrycznego do
odpowiedniej elektrody, jak już wspomniano, nosi nazwę e l e k t r o f o r e z y lub k a t a f o r e z y .
Szybkość elektroforezy, jak wykazały badania, jest tego samego rzędu co szybkość przenoszenia zwykłych
jonów. Świadczy to, że cząstki koloidalne posiadają wysokie ładunki elektryczne, gdyż w przeciwnym
przypadku ze względu na ich wielkość nie mogłyby poruszać się z szybkością podobną do szybkości
zwykłych jonów elektrolitów. Tak np. z obliczeń wynika, że cząstki koloidalne srebra muszą posiadać
ładunek elektryczny równy 60 elementarnym ładunkom. F. F. Reiss w badaniach swoich wykrył drugie
zjawisko zachodzące pod wpływem prądu elektrycznego, a mianowicie przenoszenie cieczy pod wpływem
różnicy potencjałów. Zjawisko to nosi nazwę e l e k t r o o s m o z y .
Wideman (1852 r.) ustalił następujące prawa elektroosmozy:
a) ilość przeniesionej cieczy jest proporcjonalna do natężenia prądu i zależy od powierzchni i grubości
membrany,
b) ciśnienie, które może zrównoważyć i zatrzymać przenoszenie cieczy, jest odwrotnie proporcjonalne
do powierzchni a wprost proporcjonalne do natężenia prądu i grubości membrany.
Dalsze badania wykazały, że ruch cieczy pod wpływem różnicy potencjałów zachodzi również bez
fazy rozproszonej i może być stwierdzony, jeśli ciecz zostanie wprowadzona do bardzo wąskiej rurki.
2. BUDOWA CZ
STEK NIEKTÓRYCH ROZTWORÓW KOLOIDALNYCH.
Rozpatrzmy najpierw budowÄ™ miceli typowych nieorganicznych liofobowych (hydrofobowych)
koloidów. Warunkiem ich trwałości jest mały rozmiar ich cząstek, obecność ładunków elektrycznych tego
samego znaku i ich hydratacja. Mały rozmiar cząstek zabezpiecza je przed osadzaniem się; ładunek
elektryczny i hydratacja przeciwdziała ich skupieniu się w większe agregaty, co prowadzi do ich
wytrÄ…cania siÄ™, czyli k o a g u lacji.
A
adunek elektryczny zawdzięczają cząstki koloidu adsorpcji jonów dodatnich lub ujemnych z
otaczającego je środowiska. Na skutek tego cząstki koloidu uzyskują określony znak elektryczny. Jony
3
znaku przeciwnego, czyli przeciwjony, znajdujące się w danym środowisku są przyciągane przez cząstkę
koloidu i koncentrują się dookoła niej. Część z tych jonów znajdująca się w bezpośrednim sąsiedztwie
cząstki koloidalnej jest przez nią silnie przyciągana tak, że porusza się razem z nią przy jej przesuwaniu się
w roztworze, jeśli takie ruchy zachodzą. Tworzy się zatem pewna kompleksowa jednostka strukturalna w
roztworze koloidalnym, złożona z jądra koloidu wraz z adsorbowaną otoczką jonową i częścią związanych
z nią przeciwjonów, zwaną granulą. Jądro granuli stanowi zatem właściwa substancja koloidalna. Całość
natomiast złożona z granuli i pozostałych przeciwjonów nosi nazwę miceli.
Jako przykład rozpatrzmy budowę roztworu koloidalnego zolowego kwasu krzemowego (H2SiO3),
którego granule posiadają ujemny ładunek elektryczny. Jądro każdej granuli tego zolu składa się z SiO2, z
tym że liczba cząsteczek Si02 zawarta w każdym jądrze jest bardzo duża (np. m). Powierzchnia jądra
reagując z otaczającym ją środowiskiem przyciąga powstałe cząsteczki H2SiO3 w liczbie n (n < m).
Praktycznie biorąc, aniony kwasu krzemowego SiO32- (np. x jonów) oraz wszystkie niezdysocjowane
cząsteczki H2SiO3 (y  n  x) są adsorbowane przez jądro miceli i tworzą wspólny ośrodek. Jony
wodorowe H+ (w liczbie 2x) znajdują się w roztworze otaczającym ten ośrodek i koncentrują się dookoła
niego.
Strukturę miceli zolu kwasu krzemowego można zatem przedstawić za pomocą następującego wzoru:
Inna hipoteza zakłada, że cząsteczki H2SiO3 są zdysocjowane na jony
w taki sposób, że wszystkie (n) jony SiOs- są adsorbowane przez jądro i część jonów wodoru w
liczbie 2y = 2(n x) wchodzi do warstwy adsorbowanej, a
w związku z tym również w skład właściwej granuli.
Budowa miceli w tym ujęciu przedstawiona jest na rys. 2.
Jądro miceli przedstawia się w postaci koła zakreślonego
mniejszym promieniem, a granulÄ™ (tj. jÄ…dro plus warstwa
adsorbowana) w postaci koła o większym promieniu. Jony
SiO32- i H+ zawarte w warstwie adsorbowanej sÄ…
rozmieszczone w ten sposób, że tworzą podwójną
warstwę elektryczną. Wzór miceli w tym przypadku
można przedstawić w sposób następujący:
Rys. 2. Budowa miceli kwasu krzemowego
Roztwór koloidalny (zolowy) wodorotlenku żelazowego otrzymany przez hydrolizę FeCl3 według
wzoru FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3HCl wykazuje dodatni ładunek elektryczny. Wzór granuli tego zolu
przedstawia się następująco:
Zupełnie dokładnych ustaleń co do budowy miceli poszczególnych związków w roztworach
koloidalnych zolowych dotychczas nie posiadamy. Różni badacze w różny sposób podają budowę miceli
przytoczonych tu związków, jak kwasu krzemowego lub wodorotlenku żelazowego a także innych
związków.
Przyjąć jedynie można następujące podstawowe składniki roztworu koloidalnego zolowego:
4
granula  jądro plus zadsorbowana otoczka jonowa wraz z częścią związanych z nią przeciwjonów
(warstwa adsorpcyjna przylegajÄ…ca),
micela  granula plus swobodna warstwa przeciwjonowa,
zol  micela plus ciecz między micelami,
czyli:
Granule prawie wszystkich układów koloidalnych mają ładunek elektryczny. A
adunek ten jest
wynikiem selektywnej adsorpcji (przez granule) jonów określonego znaku z ośrodka dyspersyjnego, albo
dysocjacji cząsteczek wchodzących w skład tych granul.
Badania elektrycznych własności układów koloidalnych, które charakteryzują się istnieniem skoku
potencjału na granicy fazy dyspersyjnej i ośrodka dyspersyjnego, doprowadziły do przekonania o
istnieniu dokoła cząstek koloidalnych podwójnej warstwy elektrycznej, złożonej z ładunków o
przeciwnych znakach.
H. L. Helmholtz (1874 r.) przyjmował, że podwójna warstwa elektryczna jest rodzajem kondensatora,
którego jedna okładka znajduje się na powierzchni fazy stałej, a druga w roztworze. Odległość między
okładkami odpowiada w przybliżeniu sumie promieni jonowych. Zakładał on przy tym, że pierwsza
okładka jest całkowicie związana z powierzchnią jądra, druga natomiast znajduje się w cieczy
poruszającej się w stosunku do jądra. Brakiem teorii Helmholtza  teorii podwójnej warstwy
elektrycznej  jest to, że nie rozróżnia ona rozmieszczenia ładunków w okładkach wewnętrznych i
zewnętrznych warstwy podwójnej, gdy w rzeczywistości taka różnica istnieje. A
adunki okładki
wewnętrznej są trwale osadzone na powierzchni jądra, ładunki zaś okładki zewnętrznej są ruchome,
wskutek czego ich rozmieszczenie jest bardziej luz
ne, o charakterze dyfuzyjnym, i stężenie ładunków w
warstwie tej maleje w miarę oddalania się od powierzchni naładowanej.
Zgodnie z obecnymi pojęciami do warstwy wewnętrznej jonów, które otrzymały nazwę
p o t e n c j a ł o t w ó r c z y c h , przylega ściśle pewna część jonów o znaku przeciwnym (rys. 3). Ta
część przeciwjonów poru-
Rys. 3. Podwójna warstwa elektryczna: a) rozmieszczenie ładunków,
b) krzywe spadku potencjału
sza siÄ™ razem z jÄ…drem i tworzy wartwÄ™ o gruboÅ›ci ´, zwanÄ… w a r s t w Ä… a d s o r p c y j n Ä… . PozostaÅ‚e
jony są rozmieszczone dyfuzyjnie w ośrodku dyspersyjnym.
Wyniki badań doświadczalnych wykazały, że wielkość skoku potencjału na granicy faz znajdujących
się w ruchu jedna względem drugiej, np. między fazą dyspersyjną a ośrodkiem dyspersyjnym, jest
zwykle o wiele mniejsza od wielkoÅ›ci µ odpowiadajÄ…cej potencjaÅ‚owi elektrochemicznemu
(termodynamicznemu) układu.
Skok potencjału zmierzony w tym przypadku, kiedy jedna faza porusza się w stosunku do drugiej,
otrzymał nazwę pot encj a ł u el ekt r oki net ycznego, albo ś-potencjału.
Różnica wartoÅ›ci potencjałów µ i Å› wynika z tego, że gdy jedna faza porusza siÄ™ przesuwajÄ…c siÄ™ w
stosunku do drugiej  przesuwanie to zachodzi nie na samej powierzchni fazy stałej, lecz w cienkiej
warstwie cieczy o gruboÅ›ci ´, bezpoÅ›rednio zwiÄ…zanej z tÄ… powierzchniÄ…. Pomiar potencjałów na granicy
faz znajdujących się w ruchu jedna względem drugiej daje wielkość potencjału na powierzchni
przesuwania siÄ™.
5
3. METODY OCZYSZCZANIA KOLOIDÓW
Oczyszczanie koloidów od domieszek substancji tworzących roztwory rzeczywiste (ciała
krystaliczne i elektrolity) ma duże znaczenie w zapewnieniu trwałości zolu. Do najczęściej stosowanych
do tego celu metod należą: dializa, elektroliza, ultrafiltracja, elektrodekantacja i adsorpcja wymienna na
jonitach. Jedną z łatwiejszych metod jest dializa. W celu przeprowadzenia dializy woreczek z błony
półprzepuszczalnej (kolodium, celofan lub naturalna błona zwierzęca) napełniamy czystym
rozpuszczalnikiem (najczęściej wodą) i umieszczamy w naczyniu z zolem. Substancje o rozdrobnieniu
cząsteczkowym przechodzą przez membranę do wewnętrznej cieczy i mogą być w ten sposób usunięte z
koloidu. Zmieniając stale ciecz wewnętrzną możemy koloid doprowadzić do żądanej czystości. Tak
działające urządzenie do doczyszczania koloidów zwane jest dializatorem. Elektrodializa jest
połączeniem dializy z elektrolizą a jej przewaga nad dializą polega głównie na większej szybkości
oczyszczania (dializę należy prowadzić co najmniej przez kilkanaście dni, podczas gdy elektrodializa już
po upływie 2-3 dni daje czysty zol).
4. WA
AÅšCIWOÅšCI UKA
ADÓW KOLOIDALNYCH
Właściwości mechaniczne
Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych są ruchy Browna. Zjawisko
polega na ciągłych chaotycznych ruchach postępowych, obrotowych i drgających, fazy rozproszonej w
ośrodku ciekłym lub gazowym. Ruchy Browna można zaobserwować przypatrując się np. cząstkom
kurzu oświetlonym cienką wiązką światła w zaciemnionym pomieszczeniu.
Właściwości optyczne
Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych jest efekt Tyndalla. Polega on
na tym, że jeżeli przez roztwór koloidalny przepuszczamy wiązkę światła, to wskutek uginania się
promieni na cząstkach fazy rozproszonej, mniejszych od długości fali, światło staje się widoczne w
postaci smugi świetlnej. Intensywność tego efektu jest tym większa im większa jest różnica między
współczynnikami załamania fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego. Efekt Tyndalla został
wykorzystany w konstrukcji ultramikroskopu, który ma duże zastosowanie w różnorodnych badaniach
koloidów, np. liczenie cząsteczek, obserwacja ruchów Browna, pomiar szybkości koagulacji i inne.
Kształty geometryczne cząstek fazy rozproszonej o wymiarach odpowiadających rozdrobnieniom
koloidalnym możemy obserwować jedynie w mikroskopie elektronowym.
Absorpcja światła. Niektóre układy koloidalne mają silniejszą absorpcję aniżeli rozproszenie światła.
Pomiar absorpcji światła jest jedną z metod badania układów koloidalnych, pozwala on na oznaczanie
stężenia fazy rozproszonej i na śledzenie przebiegu koagulacji. Barwa układów koloidalnych
uwarunkowana jest zarówno przez absorpcję, jak i przez rozproszenie światła. Zależy ona od wielkości,
kształtu i stopnia agregacji cząstek fazy rozproszonej. W świetle rozproszonym może być ona inna niż w
świetle przechodzącym. Ten sam układ koloidalny może mieć różną barwę w zależności od stopnia
rozproszenia.
Właściwości elektryczne. Na skutek adsorpcji jonów elektrolitu z roztworu na powierzchni cząstki
koloidalnej powstaje ładunek elektryczny. W wyniku tej adsorpcji tworzy się podwójna warstwa
elektryczna złożona z powłoki wewnętrznej, czyli adsorpcyjnej, przylegającej mocno do powierzchni
zewnętrznej, będącej warstwą jonów przeciwnego znaku. Zależnie od tego jakie jony są adsorbowane na
powierzchni, cząstka może być naładowana albo ujemnie albo dodatnio. Jednak znak ładunku
elektrycznego nie jest ich cechą charakterystyczną. Ta sama bowiem cząstka koloidalna może mieć
ładunek dodatni lub ujemny, zależnie od środowiska. Na przykład koloidalny jodek srebra AgJ w
roztworze zawierającym jony srebra jest naładowany dodatnio, w roztworze zaś zawierającym jony
jodkowe ujemne.
6
Rys. 4. Budowa czÄ…stki koloidalnej AgJ.
a. Koagulacja. Właściwości elektryczne układów koloidalnych decydują o ich zdolności do koagulacji.
Koagulacja polega na zmniejszeniu się stopnia dyspersji układów koloidalnych a więc na łączeniu się
cząstek fazy rozproszonej w większe zespoły w wyniku obniżania ładunku elektrycznego powierzchni
cząstki koloidalnej. Podczas koagulacji zole przechodzą w żele (usieciowane koloidy) lub osady .
Koagulacja może być odwracalna i nieodwracalna. Odwracalna jest wówczas, gdy żel można z powrotem
przeprowadzić w zol. Nosi ona wtedy nazwę peptyzacji. Koagulację koloidów mogą na ogół wywoływać
następujące czynniki:
- dodatek elektrolitu,
- dodatek koloidu o ładunku przeciwnym, co powoduje rozładowanie cząstek,
- naświetlanie radiochemiczne (np. promieniowanie b powoduje koagulację zoli dodatnich),
- działanie mechaniczne (mieszanie, wytrząsanie),
- ogrzewanie (np. ścinanie się białka),
- dehydratacja lub desolwatacja przez dodanie środków odwadniających, np. alkoholu lub
acetonu,
- odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego.
b. Wysalanie. Jest jednym ze sposobów koagulacji koloidów liofilowych. Polega ono na wydzielaniu się
fazy rozproszonej pod wpływem większych stężeń elektrolitu. Elektrolit powoduje kompresję
elektrycznej warstwy podwójnej wokół cząstki obniżając w jej pobliżu ładunek elektryczny. Do
wysalania koloidów szczególnie dobrze nadają się sole o jonach ulegających silnej hydratacji, łatwo
rozpuszczalne i wyższej wartościowości, np. MgSO4, ale także (NH)2SO4 i Na2SO4 . Zdolność wysalająca
zależy od charakteru zarówno kationu jak i anionu a także od ich promieni jonowych.
c. Synereza. Polega na wydzielaniu się z żeli ośrodka dyspersyjnego po dłuższym staniu i jest związana z
procesami koagulacji, np. wydzielanie się serwatki z kwaśnego mleka. Zjawisko synerezy przejawia się
często w ten sposób, że ze względu na wydzielanie się ośrodka dyspersyjnego objętość żelu staje się
coraz mniejsza, zachowując jednak pierwotny kształt, np. kształt kolby, w której się znajduje.
d. Tiksotropia. Polega ona na tym, że pod wpływem bodz
ców mechanicznych (wytrząsanie, mieszanie)
żele przechodzą w zole a po pewnym czasie z powrotem zastygają w żel. Zjawisko tiksotropii jest więc
przemianą odwracalną zol - żel, przebiegającą pod wpływem czynników mechanicznych. Przykłady
układów koloidalnych gdzie wykorzystuje się właściwości tiksotropowe to niektóre farby emulsyjne
(żelowata farba nie spływa po pędzlu ale łatwo rozprowadza się po malowanej powierzchni gdyż
przechodzi w zol podczas pocierania pędzlem), dyspersyjne masy asfaltowe (dysperbit), zawiesiny wodne
niektórych glin.
7
5. DZIAA
ANIE OCHRONNE KOLOIDÓW
Polega na tym, że pewne zole liofilowe wprowadzone do zoli liofobowych zwiększają ich odporność na
działanie elektrolitów.
6.WYKONANIE ĆWICZEC
.
Wykonanie ćwiczenia 1. Otrzymywanie emulsji oleju w wodzie. Koloidy ochronne.
Do dwóch probówek o objętości ok. 10 cm3 każda, zawierających 1/2 objętości wody należy
dodać po 8-10 kropli oleju jadalnego. Do pierwszej probówki dodać jeszcze 10 kropli 1%
roztworu płynu do mycia naczyń. (środka powierzchniowo czynnego). Roztwór ten dodaje się w
celu zwiększenia trwałości emulsji, tworzy ono bowiem warstwę ochronną na powierzchni
kropel oleju utrudniając tym sposobem ich łączenie się. Następnie należy silnie wielokrotnie
wstrząsnąć probówkami z zawartością. Zwrócić uwagę na trwałość i barwę emulsji a także
szybkość jej rozwarstwiania. Zanotować obserwacje i wnioski.
Wykonanie ćwiczenia 2. Otrzymywanie roztworów koloidalnych przez kondensację.
2a. Otrzymywanie roztworu koloidalnego wodorotlenku żelazowego w wyniku hydrolizy
jego soli. Do zlewki Erlenmeiera o pojemności 250 cm3 należy wlać 100 cm3 wody
destylowanej, ogrzać ją na płycie elektrycznej lub palniku gazowym (zlewkę należy postawić na
statywie i płytce pośredniczącej) do wrzenia, następnie wprowadzić dodając kroplami i ciągle
mieszając 20 cm3 1% roztworu FeCl3. W wyniku reakcji powstaje zol wodorotlenku żelazowego.
Należy zwrócić uwagę na barwę zolu. Zlewkę należy zachować do następnych ćwiczeń.
2b. Otrzymywanie koloidalnego roztworu siarki. Do probówki zawierającej 1 cm3 roztworu
tiosiarczanu sodu Na2S2O3 należy dodać 1 cm3 roztworu kwasu siarkowego (obydwa roztwory o
stężeniu 1 mol/dm3). Należy podgrzać probówkę wraz z zawartością w łaz
ni wodnej. Zwrócić
uwagę na barwę otrzymanej koloidalnej siarki i jej koagulację prowadzącą do utworzeniem żelu
lub osadu S. Zanotować obserwacje i wnioski.
2c. Otrzymywanie żelu kwasu krzemowego. Do probówki zawierającej 2 cm3 kwasu solnego
o stężeniu 2 mol/dm3 dodać wstrząsając jednocześnie probówką 2 cm3 10 % roztworu krzemianu
sodu. Zwrócić uwagę na powstający zol kwasu krzemowego, który stopniowo przechodzi
w galaretowaty w żel. Zanotować obserwacje i wnioski.
Wykonanie ćwiczenia 3. Wyznaczanie wartości koagulacyjnej wodorotlenku żelazowego.
Do dwóch zlewek Erlenmeiera wprowadzić po 25 cm3 roztworu otrzymanego w ćwiczeniu 2. Do
jednej dodawać z biurety kroplami, ciągle intensywnie mieszając 2 m roztwór NaCl, do drugiej
dodawać roztwór 0,005 m Na2SO4 do momentu wystąpienia wyraz
nego zmętnienia prób co jest
efektem koagulacji.
8
Obliczanie wartości koagulacyjnej.
Jeżeli do skoagulowania 25 cm3 zolu zużyto v cm3 roztworu 2 m NaCl to na 1000 cm3 tego zolu
przypada 40 · v cm3 roztworu NaCl.
1000 cm3 2 m NaCl zawiera 2 mole NaCl
40 · v cm3 2 m NaCl zawiera x moli NaCl
40 × v × 2
x = = v·80·10-3 moli/dm3
1000
Jeżeli do skoagulowania 25 cm3 zolu zużyto v cm3 roztworu 0,005 m Na2SO4 to na 1000 cm3
tego zolu przypada 40 · v cm3 roztworu Na2SO4.
1000 cm3 0,005 m Na2SO4 zawiera 0,005 moli Na2SO4
40 · v cm3 0,005 m Na2SO4 zawiera x moli Na2SO4
40 × v × 0,005
x = = v·2·10-4 moli/dm3
1000
Wyniki obliczeń wartości koagulacyjnej należy zestawić w tabeli wyników.
Wykonanie ćwiczenia 4. Właściwości mechaniczne koloidów i koloidów skoagulowanych.
Roztwór koloidalny wodorotlenku żelaza (roztwór z ćwiczenia 2a) i skoagulowaną zawiesinę
wodorotlenku żelaza (z ćwiczenia 3) należy poddać sączeniu przez bibułę filtracyjną
umieszczoną w lejku analitycznym. Porównać barwy otrzymanych przesączy. Jakie właściwości
filtracyjne ma zol a jakie skoagulowany osad? Zanotować wnioski z obserwacji.
9